Aktuelle Entwicklungstendenzen in der Modellierung und Simulation

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1 Vorlesungsreihe Simulation betrieblicher Systeme Aktuelle Entwicklungstendenzen in der Modellierung und Simulation Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiedemann HOCHSCHULE FÜR TECHNIK UND WIRTSCHAFT DRESDEN (FH) Fachbereich Informatik/Mathematik Gliederung Kritik des aktuellen Entwicklungsstandes im Bereich der Modellierung und Simulation Problemsymptome und Anwenderforderungen Ursachen der Defizite und Probleme Potentielle Lösungen Potentiale moderner Softwaretechnologien im Simulationsbereich Modulare und komponentenbasierte Simulationswerkzeuge Datenbanken zur Speicherung von Simulationsmodellen und - ergebnissen Simulationsauswertung mit Analytischen Informationssystemen (Datamining) Verteilte und webbasierte Simulation und Optimierung Ausblick auf neue Hardware Zusammenfassung und Gesamtausblick Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 2 1

2 Aktueller Stand der diskreten Simulation Ausgezeichnetes Niveau im technischen Bereich: Autos oder Elektronikchips sind ohne Simulation nicht mehr herstellbar Crashtests (FEM) und Risikoanalysen mittels Simulation Emulation oder Hardware in the Loop -Tests von Geräten bewährter Einsatz bei der Planung von Fertigungseinrichtungen Engpaßanalyse und Kostenoptimierung direkte 3D-Simulation der zukünftigen Fertigung Defizite und nicht erfüllte Erwartungen: bei der operativen Fertigungsplanung (prinzipiell sehr gut, aber kein breiter Einsatz in der Industrie) bei der Anwendung durch kleine und mittelständische Unternehmen Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 3 Kritik des aktuellen Entwicklungsstandes Zu beobachtende Problemsymptome (aus Konferenzen & Praxisberichte) nur in 5% der deutschen Industrieunternehmen Simulationseinsatz in über 40% der Anwendungsfälle wird ein neues Simulationssystem entwickelt (bereits über 150 verschiedene Simulationssysteme) bei der Optimierung mittels Simulationsexperimenten werden häufig noch sehr alte Simulationssprachen (z.b. GPSS von 1963) verwendet Als Gründe für die aufgezählten Problemsymptome werden genannt: sehr hohe Anforderungen an den Simulationsanwender (meist Expertenkenntnisse notwendig auf den Gebieten Software, Mathematik, Statistik, Systemanalyse, Datenbanken,... ) relativ hohe Investitionskosten, meist unsicheres Kosten/Nutzenverhältnis existierende Modellierungsparadigmen passen nicht immer auf Kundenprobleme vorhandene Bausteinsysteme sind nur bedingt offen für Anpassungen schlechte Integrationsfähigkeit in verteilte Informationssysteme Performance moderner Systeme ist häufig unzureichend Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 4 2

3 Ursachen und Hintergründe für die Probleme Anfang der 90iger Jahre entstand Autonomieanspruch an Simulationssysteme: typische Resultate: GROSSE Simulationssysteme wie ED oder Automod dadurch hohe Preise infolge hoher Komplexität und geringem Markumfang, einmalige Untersuchungen rechnen sich nur bei Investitionen über 1 Million ökonomisch sinnvoller Einsatz in ständigen Planungsprozessen scheitert an zu geringer Integrationsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit der Simulationsprodukte meist monolithische, softwaretechnisch nicht mehr differenzierbare Programme Softwaretechniken wie Client/Server oder Remote-Access sind durch starke Verzahnung von Bedienoberfläche und Simulationskern sehr schwierig Fehlende Standards zum Methodenraum der diskreten Simulation Vielzahl zueinander inkompatibler Simulationssysteme starke Schwächung des Leistungsvermögens der Simulations-Community teilweise zu starke Betonung des Modellierparadigmas (OO+) und Vernachlässigung von Performanceaspekten Das Dilemma des Anwenders: Die Entscheidung für ein konkretes Simulationssystem bestimmt in sehr enger und konträrer Weise den Grad der erreichbaren Flexibilität, den Modellierungskomfort und die Performance. Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 5 Wie können diese Widersprüche gelöst werden? Entwicklungs -kosten Performance ( Time to decision ) Anwendungsbreite und Lösungsflexibilität Das optimale Simulationssystem? Anwendungskomfort Marktvolumen Kosten/ Nutzen- Relation Mit traditionellen Entwicklungsansätzen ist eine Lösung kaum möglich, deshalb: Neuorientierung am aktuellen Stand der Technik im gesamten EDV-Bereich maximale Effizienz der Softwareentwicklung (Investition in Technologie, statt in Zeit) praxisorientierte Architekturen (vgl. Lean Management, Supply Chain Managmt.) Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 6 3

4 Neue Entwicklungsstrategien für Simulationswerkzeuge 1. Modularisierung statt Autonomieanspruch Konzentration auf das Kerngeschäft die schnelle und höchst flexible Durchführung der Simulationsberechnung, neue Chancen für kleine Unternehmen (und Universitäten) Basistechnologien: Komponentenbasierte Softwareentwicklung und verteilte Systeme 2. Definition von Quasistandards zur Modellierung portable, modell- und experimentübergreifenden Verwaltung aller Modellbeschreibungen und der korrespondierenden Simulationsergebnisse, Basistechnologien: Datenbanken und analytische Informationssysteme 3. Kombination von Simulation und Optimierung Erhöhung des Nutzeffektes und Verringerung des Auswertungsaufwandes Basistechnologien: Simulatoren, Optimierer, Schnittstellen 4. Internetbasierte Bereitstellung von Simulationsdienstleistungen (Cloud / Grid-Computing) Entwicklung von Cloud-basierten Simulationen Basistechnologien: Modulare Webserver, Datenbanken und Visualisierungssoftware Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 7 Neue Entwicklungsstrategien für Simulationswerkzeuge Ziel: Schaffung eines fließenden Überganges zwischen den Werkzeugklassen bisher Modellierungs- und Bedienkomfort Ideal bezüglich Bausteinbasierte Simulationssysteme Bausteinbasierte Simulationssysteme mit Skriptsprachen Modellierungskonzept Optimales System? Simulationssprachen Anpassung auf Simulationsebene Universelle Programmiersprachen Anpassung auf Technologieebene Flexibilität Performance Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 8 4

5 Modularisierung statt Autonomieanspruch Konzentration auf das Kerngeschäft die schnelle und höchst flexible Durchführung der Simulationsberechnung, Chancen für kleineunternehmen (und Universitäten) Zukauf oder Anbindung aller nicht zum Kernbereich gehörenden Funktionen, wie Visualisierung, Animation, Ergebnispräsentation und Modellierungsunterstützung, leistungsfähige Schnittstellen zwischen Kernfunktionen und Peripherie zeitnahe Unterstützung und Anwendung aktueller Softwaretechnologien : deutliche Effizienzerhöhung der Entwicklung Integrations- und Kopplungsplattform zu anderen Informationssystemen Frage : Welche Softwaretechnologien eignen sich? Antwort: Konkrete Lösungen: Komponentenbasierte Softwareentwicklung und verteilte Softwarearchitekturen (CORBA, SOA, Java Beans, HLA speziell für Simulationssysteme) - Simulationskomponenten SimCO für Delphi / SPEEDSIM - modulare Simulationsumgebung mit SLX, SimMiner und Optimierer ISSOP,gekoppelt per TCP/IP, - verteilte Simulationssystem (Fraunhofer MISSION-Projekt) Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 9 Modular aufgebaute Simulationsumgebungen These: Nur durch Verknüpfung oder Kopplung existierender Systeme lassen sich alle Anforderungen an zukünftige Simulationsumgebungen erfüllen. Interfaces for Internet / Intranet-representation 3D-Visualisation and Animation with VRML-Viewers Expert systems and optimization tools Model generators and data sources (MIS and production planing systems) Models Simulation kernel for discret event simulation Interface and Database layer Experiment parameters Tools for experiment-analysis and presentation (e.g. Excel) Simulation History and results Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 10 5

6 Beispiel: Komponentenbasierte Experimentierumgebungen Simulationskomponenten können beim Aufbau von Endbenutzerschnittstellen auch versteckt werden. Effiziente und leistungsfähige Simulationsanwendungen : Beliebige Kombination mit Standardkomponenten von Windows (oder jetzt auch Linux mit Borlands Kylix ) Änderungen der Modellparameter zur Laufzeit möglich sofortige Anbindung an neue Softwaretechnologien sehr gute Run-time- Visualisierung und Reports Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 11 Definition von Quasistandards im Simulationsbereich ein einheitlicher Standard zur Beschreibung von Simulationsmodellen ist aufgrund der vielfältigen Beschreibungsaufgaben und des primitiven Weltverständnisses der aktuellen Rechnergeneration kaum realisierbar Eine Zwischenstufe kann die Schaffung einheitlicher Strukturen auf der Ebene der Modellspeicherung und -verwaltung sein : modell- und experimentübergreifenden Verwaltung aller Modellbeschreibungen und der korrespondierenden Simulationsergebnisse, die Gewährleistung eines Zugriffs durch externe Applikationen mittels Standardverfahren zum Datenaustausch und speicherung, die Nutzung bereits existierender Verfahren zur Auswertung und Analyse der Simulationsergebnisse (Reuse von Auswertungstools) Frage : Welche Softwaretechnologien eignen sich? Antwort: Datenbanken, analytische Informationssysteme (Data Warehouse / OLAP / Data Mining ) Konkrete Lösungen: - Kanonisches Datenbankreferenzmodell für Simulationsdaten - SimMiner - Data Mining-Tool zur Simulationsauswertung Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 12 6

7 Modelldatenablage in universellen Datenbankstrukturen Motivation: bisher nicht kompatible Datenformate der Komponenten und Simulatoren aufwendige Manipulation von sehr vielen Komponenten bei sehr großen Modellen Lösungsansatz allgemeines ER-Modell zur Speicherung von Simulationsmodellen und Simulationsergebnissen Verwendung einer universellen (kanonischen) Datenstruktur: Verwaltungattribute für Administrierung und Abbildung von Relationen Attribute zur eigentlichen Speicherung der Daten (3 x Integer, 3x Double und zwei Strings ). etwas höhere Speicherredundanz. Model Labels contains Version Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 13 Runs have Results contains refers to refers to n n n 1 contains n Objects 1 contains n Parameters n 1 has subpar. Vorteile Datenbanken sind die universell anerkannte Technologie zur Datenhaltung Kompatibilität zu allen betrieblichen Informationssystemen gesichert Operationen über Mengen von Simulationsobjekten und -attributen möglich (SQL) Analytische Informationssysteme im Simulationsbereich Besonderheiten bei einem Einsatz von Data Warehouse / Data-Mining-Technologien geringeres Datenvolumen durch überschaubare Läufe optimaler EDV- Anschluß durch komplett rechnerbasiertes Modell Systemstruktur und innerer Aufbau sind durch Modellierung vollständig bekannt Gewinnung der Daten aus Tracedateien oder Reports Mögliche Datendimensionen: Der allgemeine, n-dimensionale Zustandsprotokoll Datenwürfel. Belegungen Betriebsparameter Wartezeit Kosten Run / Modell / Version... Modellobjekte (Maschinen Zeit oder Stationen ) Analyse von Run s Versionsanalyse Produkte Gesamtparameter Zeit Simulationsläufe Zeit Modelle Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 14 7

8 3. Kombination von Simulation und Optimierung Simulation ist eine Analysemethode mit Eignung für stochastische Prozesse entscheidungsunterstützende Auswertungen (Manager-geeignet) und Verbesserungen des simulierten Systems gehören nicht immer zum Standardumfang der Simulatoren Optimierungen von Systemen sind sehr zeitaufwendig und erfordern sehr umfangreiches Wissen und Erfahrungen (kritisch bei kleineren Firmen) Fazit und These Die Anbindung von Optimierungswerkzeugen: kann den Verantwortlichen von aufwendiger Routineanalyse befreien, indem die Analyse und Verbesserungen des Modells automatisch erfolgen erweitert den Analyseansatz der Simulation um einen Syntheseansatz kann bei geeigneter Konfiguration als automatisch ablaufendes SYSTEM ohne menschliche Eingriffe permanent zur Optimierung von Systemen dienen Eigene Prämissen bei der Suche nach einem geeigneten Tool : möglichst universell und mit einer Vielzahl an Optimierungsfunktionen offene und erweiterungsfähige Systemarchitektur Ergebnis der Marktanalyse: System ISSOP von DUALIS (Prof. Krug,Dresden) Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie Neue Anwendungsbereiche durch webbasierte Systeme durch Simulation beeinflussbare Kosten ca. 10% (nach VDI 3633 ) typische Kosten für Simulationssysteme ab 25 T damit Investkosten von mindestens 250 T notwendig In kleineren Einzelprojekten ist Simulation zu kostspielig! Häufigkeit sehr oft oft selten einmalig Fortlaufende operative Planung Zu aufwendig oder teuer Umkonfiguration Rationalisierung von Systemen Investitionsplanung 5-50 T 250 T Zu beeinflussende Kosten bzw. Investition Im roten Bereich noch großes Potential bei Mittelständischen Firmen vorhanden auch als Einstiegsbereich in Richtung größerer Projekte günstig Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 16 8

9 Verteilte und webbasierte Simulation und Optimierung Motivation : - verteilte Modellierung und Simulation sehr sinnvoll (Supply Chain...) - theoretisch bessere Portabilität durch Internetstandards - neue Geschäftsmodelle mit günstigeren Konditionen für die Kunden Besonders interessant : Application Service Providing / Cloud-Computing im Simulationsbereich (hier: Cloud-Computing als neues ASP-Konzept) Kosten $ Einarbeitung Kosten Nutzen Break even point Traditionell mit Kauf Mit Inanspruchnahme eines Zeit eines Simulationssystems Application Service Providers (ASP / Cloud-Lösung ) Zusatznutzen: schnelle und günstige Wartung, ständige aktuelle Version verfügbar, keine Lizenzprobleme durch Abrechnung genutzter Leistungen sehr gute Schulung und Weiterbildungeigenschaften Einbeziehung neuer Anwendergruppen (Vertrieb, Management, Produktentwickler) Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 17 Erste Generation von webbasierten Simulationsexperimenten Bereits Anfang 2000 wurden erste Internetlösungen für die Simulation realisiert: Anbindung von textbasierten Simulationswerkzeugen (GPSS oder SLX) über CGI-Skripte an HTML-Formulare Quelltext des Simulationsmodells wird in einem Textfeld übergeben auf der Serverseite wird das Simulationsprogramm an den Simulator übergeben, von diesem kompiliert und ausgeführt. Ergebnisse werden in Textform oder als HTML-Code zurück geliefert. Standard-HTML-Browser Simulations -programm Simulations -programm Web Web Server mit CGI- Interface CGI-Programm Simulationsprogramm Ergebnisse Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 18 9

10 Beispiel : GPSS_Simulator der TU Magdeburg erreichbar unter : Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 19 Bewertung der ersten Generation webbasierter Tools Vorteile relativ einfache Anbindung ohne großen Entwicklungsaufwand Aufgabenspektrum durch beliebig erweiterbaren Quellcode prinzipiell unbegrenzt Nachteile sehr fehleranfällig bei Laufzeitfehlern keine Rückmeldung während der Laufzeit Probleme mit der Anbindung von Datenquellen keine oder schwierige Visualisierung der Simulation (Animation) Die aufgeführten Vor- und Nachteile gelten auch prinzipiell für viele der aktuellen Cloud-Lösungen! Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 20 10

11 Vergleich traditionelles ASP / Cloud mit Simulations-ASP ASP für Büroaufgaben Interaktive Arbeit Clientrechner (Kunde) zeitkritisch! Internet ASP im Simulationsbereich Parametrisierung Start / Stop Reine Statusmeldungen Serverrechner (Provider) Das Lastverhalten im Vergleich Datenverwaltung 100% Simulation Optimierung Im Bürobereich Stark interaktive Arbeit Interaktionsgeschwindigkeit ist erfolgskritisch und wird meist nicht zufriedenstellend erreicht! Hohe Anforderungen an die Benutzerschnittstellen bei noch vorhandenen Defiziten der Webtechnologien Im Simulationsbereich Primat der Berechnung Güte und Gesamtzeit (im Minutenbereich akzeptabel) sind erfolgskritisch und erreichbar Benutzerinterfaces zweitrangig Fazit: ASP/Clouds im Simulationsbereich entspricht aktuell den möglichem Internettechnologien besser als traditionelles ASP Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 21 SimASP - Gesamtkonfiguration und Prozeßablauf Prämissen aufgrund der aktuellen Situation bei den Web-Tools : Service-Schwerpunkt ist die Bereitstellung wiederverwendbarer Modelle (parameterisierbare Modelle flexibler Fertigungsstrassen, Call- und Servicecenter) sehr komplexe Modelle sollten vorerst mit Standardtools realisiert werden Bezahlung pro Simulationslauf oder Simulationszeit (an Provider und Modellierer) Arten von Modellen fixe Modelle mit Import und Export von PPS-Daten -> SLX-Universal-Modell fixe Modelle mit variablen Parametermasken Modelle auf der Basis vorgefertigter Bausteine (VisualSLX-Konzept) These: Entscheidend für den Erfolg wird die vollständige Einbindung dieser Systeme in automatisch ablaufende Berechnungsprozesse beim Kunden sein: PPS oder MIS des Kunden Optimale Strategie FTP I N T E R N E T VisualSLX Datenbanksystem mit Zeitsteuerung Auftragsdaten Steuerparameter Modelle Professionelle Tools ISSOP SLX Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 22 11

12 SimASP - Sicherheit und Vertrauen in externe Serviceprovider Sicherheit und Vertraulichkeit Ein Hauptproblem ist die Vertraulichkeit/Sicherheit Verschlüsselungs- und Signaturverfahren auf den Übertragungsstrecken (VPN) Content-Scrambling zum Schutz sensitiver Daten auf der Serverseite PPS oder MIS des Kunden Kodiertabelle (jeweils zufällige Werte) Auftragsdaten...Audi.....BMW.....MotorA3.. Audi BMW MotorA3 Ergebnisse Audi.. 7Tage BMW.....3Tage MotorA3...8TDM Datenkodierung F722 F461 P382 Datendekodierung Steuerparameter Auftragsdaten... F F P Ergebnisse F Tage F Tage P TDM FTP INTERNET VPN-Tunnel zur sicheren Übertragung SimASP Datenbanksystem mit Zeitsteuerung SimASP-Server Tools ISSOP SLX Modelle Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 23 Einbeziehung der Anwendungsexperten in das Geschäftsmodell These: aktueller Stand der Internettechnologien erlaubt noch keine vollständige Entwicklung von Simulationsmodellen per Web. Fazit: komplexe Modelle werden noch absehbare Zeit durch Simulationsexperten realisiert. diese Modellentwickler können innerhalb eines ASP-Systems durch eine Beteiligung an den Einkünften zusätzlich motiviert werden die übrigen Anteile werden für das ASP-System und die Basissoftware verwendet ASP-Betreiber Service- Miete Modell-Lizenz an Entwickler Basis-Software- Lizenz Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 24 12

13 SimASP - Sicherheit und Vertrauen in externe Serviceprovider Vertrauen in die Verfügbarkeit der Dienstleistung Auslagerung erfolgsrelevanter Informationsprozesse ist kritisch Schutz gegen technische und organisatorische Ausfälle ist notwendig Einfache organisatorische Maßnahmen öffentliche Einrichtungen (Hochschulen) als technische ASP-Provider mit operativer Betreuung durch externe Firmen Bereitstellung von Intranet-ASP-Systemen direkt beim Kunden Alle Funktionen wie bei externem ASP (Internetzugriff / zentrale Berechnung) Betreuung und Wartung der ASP-Rechner durch firmeneigene Mitarbeiter Sehr guter Schutz gegen Netzausfälle und Hackerangriffe Sehr sinnvolles Konzept bei vielen Mitarbeitern mit seltenem Simulationsaufkommen Schaffung eines austauschbaren, standardisierten ASP/Cloud-Frameworks Erreichung einer gewissen Austauschfähigkeit und Vereinheitlichung von ASP- Systemen im Simulations- und Optimierungsbereich Demonstration einer einheitlichen, standardisierten Vorgehensweise gegenüber der Industrie und damit höheres Vertrauen als in viele Einzelkonzepte Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 25 SimASP - Sicherheit und Vertrauen in externe Serviceprovider Schaffung eines austauschbaren, standardisierten ASP-Frameworks Stufe 1 - Einheitliche Internetbasistechnologien, bestehend aus Apache Webserver und Java Servletts in einem Tomcat-Servlet Container der jeweilig letzten stabil laufenden Versionen (keine Betaversionen); Stufe 2 Standardisierte Steuer- und Verwaltungsstrukturen auf XML-Basis zum einheitlichen Starten, Beenden und Steuern aller Berechnungsprogramme; Stufe 3 Quasistandards für die Modellierung und die Modelldaten vorzugsweise auf Datenbankbasis mit JDBC-Fähigkeit ; Stufe 4 gleiche Berechnungsprogramme (z.b. SLX/Arena und ISSOP). Bereits in Stufe 1 kann durch ein Kopieren der Java-Servletts und aller Berechnungsprogramme auf den Rechner eines Partners das jeweilige ASP- System dupliziert werden. Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 26 13

14 Neue Option : Grid / GPU-basierte Berechnungen stille Revolution im Bereich der Grafikkartenleistung -> GPU-Leistung mehrfach höher als traditionelle CPU s Hersteller NIVDIA and AMD (ATI) -> CUDA / OpenCL-Standards! Frage : Ist dies für Simulationszwecke nutzbar? Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 27 Actual Graphic Processor Units (GPU) Architecture Ausgangspunkt: 3D-Szenarien erfordern sehr viele Shader and Texture-Prozessoren aktuell 1024 und mehr Prozessoren mit floating (double) point prec. Memory - Organization : - ist der limitierende Faktor!!! - Schnellster Speicher ist shared memory in den Blöcken - nur zwischen diesen Speicherzellen ist ein sehr schneller Datenaustausch möglich - Synchronization zwischen den Blöcken ist langsam und schlecht unterstützt! - global memory is used for transferring input and results Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 28 14

15 2. Problem : Single Program Multiple-Data (SPMD) in CPU-Proz. existiert ein Control block per CPU. in GPU s exisitiert NUR ein Control block für N-ALU s!!!! Multi-core CPU Many-core GPU Control Control Control ALU ALU ALU ALU ALU ALU ALU Folgen: nur 1 Program kann über N-Daten ausgeführt werden bei Sprüngen im Code kommt es dadurch zur einer SEQUENTIELLEN Ausführung mit drastischen Performanceverlusten Code2 Code execution in CPU CPU1 Code1 Code2 CPU2 Code1 Code3 Code1 Code3 Code execution in GPU Code1 Code2 Code1 Code3 Sequentiell execution Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 29 Mögliche Anwendungen von GPU s Parallel & Hypercomputing mit unters. Zufallszahlenströmen Monte-Carlo-Simulationen einfache Modelle OHNE Verzweigung infolge zufälliger Ereignisse GPU -Solution : M-Modellläufe mit N-Szenarien pro Block ein Lauf mit N (=kernel-anzahl)-einzelsimulationen Unterschiedliche Szenarien in den Blocks Restriktionen /Ergebnisse : pro Block gleicher Code und gleiche Ausführung!!! dann möglicher Speedup: (=Anzahl Kernel) Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 30 15

16 Aktuelle Arbeiten - Potentielle Master-Arbeitsthemen Einsatz von Web-Technologien im Simulationsbereich Test weiterer Cloud-Anbieter (allgemeiner Test, auch anwendbar auf andere Bereiche -> vgl. Vortrag aus Workshop) SOA als Vernetzungstechnologie für verteilte Simulationsberechnungen (mit Emulation realer Einheiten durch Simulationsmodelle (vgl. VL zur Simulationsanwendung), SOA/ BPMN als Modellierungssprache??? GRID und GPU-Computing Machbarkeit und Performancetests 3D-Animationsserver Erweiterung vorhandener 3D-Animationsprogramme oder Spiele-Engines um eine TCP/IP-Socket-Schnittstelle mit der Option des Nachladens von Szenen und Bewegungen High-Speed-Simulation SPEEDSIM (SIMSOLUTION).NET oder Assembler-basierte performance-optimierte diskrete Simulation Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 31 Ausblick in die Zukunft - Simulation mit dem Quantencomputer Quantencomputer beruhen auf den speziellen Eigenschaften subatomarer Partikel (Qubits), nach der Quantentheorie nehmen diese Partikel gleichzeitig mehrere Zustände an ein Register aus N Qubits stellt alle 2 N -Zustände gleichzeitig dar, Wechselwirkungen ergeben sich als gleichzeitige Kombination aller Einzelzustände noch ist die Anzahl der realisierbaren Qubits begrenzt (ca. 5), eine weitere erfolgreiche Erhöhung hätte gravierende Folgen, insbesondere für die Kryptographie für die Simulation hätte ein Quantencomputer enorme Vorteile: das Ergebnis aus N-Läufen wäre sofort ablesbar (mit N -> unendlich) optimale Modellzustände könnten eventuell speziell kenntlich gemacht und damit sofort, ohne iterative Optimierungsschritte, ermittelt werden unscharfe Aufgabenstellungen (mit fuzzy sets) könnten ohne Zeitverlust berechnet werden Das Konzept der Modularisierung ist auch hier wieder sinnvoll: der (zumindest anfängliche) hohe apparative Aufwand für einen Quantencomputer (Kühlung auf 30 Kelvin, Laserarrays...) kann zu Beginn nur gewinnbringend durch eine parallele Nutzung über das Internet sein doch wahrscheinlich wird dann die gesamte Informatik revolutioniert! Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 32 16

17 Zusammenfassung Modulare (kleinere?) diskrete Simulationssysteme werden zukünftig eher eine Chance haben, die sehr speziellen Anforderungen der Anwender abzudecken! Eine Trennung von Simulationskernel und beliebiger GUI kann auch im Bereich von Webanwendungen und Cloud/ASP-Ansätzen günstiger sein! Cloud-Computing-Ansätze (mit dem alten Konzept des Application-Service- Providing (ASP) können kleineren Firmen einen Zugang zur Simulation eröffnen. Bei Cloud/ASP-Lösungen ist die Sicherheit/Vertraulichkeit entscheidender als die technische Lösung! Die Sicherheit muss durch neue Konzepte zur Verschlüsselung und Content-Scrambling stark verbessert werden! Neue Hardware (Grid / GPU) kann in Einzelfällen starke Performancezuwäschse bringen! Eine stärke Abstimmung zu gemeinsamen Richtlinien oder Standards im Bereich der diskreten Simulation ist sehr sinnvoll und würde das Vertrauen der Industrie stärken. Durch internetbasierte Dienstleistungen könnte der Umfang des Simulationseinsatzes stark ausgebaut werden. Webbasierte Richtlinien und Standards könnten ein erster Schritt zu einer generell höheren Kompatibilität der diskreten Simulation sein. Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 33 17

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